CN106731937B - 用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管网间水处理装置，具体为用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置，解决现有的混合器无法满足药剂混合效果与水头损失的问题，方案为：输水管内壁固定有多条导流叶，导流叶前段与输水管轴线平行，后段沿输水管圆周同一方向扭曲。导流叶为3~4条。导流叶的总长度为管内径的2~4倍，前段长度为总长度的0.2~0.5倍。导流叶高度与管内径的比为0.3~0.35。扭转角为30~40度。优点：导流叶沿管壁排成环列叶栅，中部留空，外环流体从平直流态转变为螺旋流态，出水口后一定长度内保持螺旋形运动。利用螺旋流性质使得药剂充分混合。减小了混合元件的个数和所占的阻流面积，减小了水流的能量损失。

Description

用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置

技术领域

本发明涉及管网间水处理装置，具体为用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置。

背景技术

供水水质安全，是关系到人体健康和社会稳定的重要问题。为了保证管网水质，《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中明确规定，加氯消毒时，游离氯在与水接触30min以上后，出厂余氯浓度应不低于0.3mg/L，管网末梢水不应低于0.05mg/L。目前大多数水厂消毒都是在管网前端的清水池一次性投加足以保证管网末梢余氯达标的氯量。然而，由于管网系统的庞大性和复杂性，要保证末梢的余氯量达标，势必会在管网中形成余氯浓度过高的区域，特别是靠近加氯点的地区。破坏口感的同时，也增大了三卤甲烷等消毒副产物的风险，使得供水存在很大的化学安全隐患。

管网多点加氯技术，是对传统水厂内消毒工艺的一种合理改进。通过将加氯点以一定规则分散到管网中的不同位置，既保证了后续管网中余氯浓度满足最低限要求，又减少了单点投加时药剂的浓度，从而降低了网间氯消毒副产物的生成几率。

流体混合的扩散机理主要有三种：1、分子扩散；当流体中存在组分浓度差时，分子的无规律的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。由于液体分子之间的距离较小，液体中分子扩散速率大大低于气体分子中扩散速率，液体分子扩散的过程比较漫长，且扩散量有限。2、对流扩散；对流扩散为流体中的扩散物质随流体做时均运动时所产生的扩散，对流扩散对混合来说比较重要，因为主流流动方向与浓度梯度方向相互垂直，所以主流流动对浓度扩散的影响不显著，静态混合器能促进混合效果很大程度是因为改进了速度矢量与浓度梯度的协同效应。3、紊动扩散；在湍流流动过程中，流体质团紊动所产生的扩散称为紊动扩散。流体在流动的断面产生剧烈的涡流，使流体的细微部分进一步被混合。湍流扩散比分子扩散要快得多，在某些情形下要快105—106倍。

现阶段，管道上使用的混合装置主要是管式静态混合器。管式静态混合器因其混合效果好，设备简单，不需要构筑物等优点受到广泛的使用。传统的管式静态混合器主要分为两大类：一、在管道内安装若干固定混合单元，以SX型静态混合器为代表（如图2）；二、在管道内插入螺旋片，即把金属板条的两端施加一组大小相等方向相反的两个力，使半条产生扭转变形而成，置入管道内的螺旋片沿管道轴心安装，首尾交错90度连接，相邻螺旋片的旋向相反，称之为扭转叶片型静态混合器，以SK型静态混合器为代表（如图4）。下面以这两种混合器为代表分析两种类别混合器的工作原理。

1、SX型混合器主要对流体有切割作用和分散混合作用。

作用原理主要为：当流体流进每一组单元时，n个波纹片将把流体分割成n+1层，当流体在流入下一单元时，由于波纹板错开90度排列，流体将会再一次被分割。当经过m组元件后，流体将会被分割成S份。

S=（n+1）^m

由上式可看出，当n和m较大时，S将会变的非常大，整个流体将被分割成很多小的液滴。此外，每个沟槽交叉处可以视为一个混合小池，流体在混合小池内实现混合后,分散成两股流入下一个混合小池,同另一股流体进行混合,再分散流入下一个小池,反复不断以实现流体的分散混合。而且相邻单元波纹片所在平面交叉成90 ,使流体在流动中流动平面发生变化,形成空间三维流动,使流体能更好实现混合。

2、SK型混合器管道内流体有4种基本运动：

1）流体分割：首尾相接的2个元件（沿管道轴心安装的螺旋片）相交90度，料流在此处被分割。

2）流体改变方向：每个元件是把金属板一端相对另一端逆时针或者顺时针扭转了180度而成，首尾相接的2个元件左、右旋交错，迫使料流不断地改变方向。

3）流体的内外倒置：迫使进入管道中元件中心部位的料流向外壁迁移，又从外壁向中心移动，从而达到径向混合的效果。

4）流体向后再混合：在每个元件连接处，其速度剖面被分割，最大速度变为最小速度， 最小速度变为最大速度。所有的颗粒不断地改变相对速度，沿流动轴线与邻近的颗粒，不停地交换而再混合。

SK型混合器是沿管道轴心安装以90度交错排列着右旋和左旋180度的螺旋片（如图5）。在混合过程中分流混合和径向混合同时进行。

当流体流经螺旋片时，流体将被分割，从螺旋片的两侧流入，当在流经下一个螺旋片时，再一次的被分割。所以当流体在流经n个螺旋片后，流体也被切割n次，切割的层数为：，切割后的流体每层厚度为：。

流体在流经混合器后，将被迫产生旋转运动，旋转轴心为管道中心，此外流体自身还将在螺旋片的两侧空间做环形旋转，这种流体的自旋转使得将管道内的中心流体挤向四周，又使得四周流体推向中心，实现了良好的径向混合。

随着管式混合应用越来越广泛，管式混合装置的研发也越来越多，已经在许多化工单元操作中发挥这作用，并且已经取得了较好的工艺效果和经济效益。但依然存在不少问题。例如：

20世纪90年代美国研发了内置翼片型（HEV型）静态混合器，其混合单元为翼片（如图6），翼片呈梯形，以一定的角度附在管道内壁。当水流经过翼片时，一部分流体从翼片两侧流过，另一部分沿翼片表面流过。同时翼片的阻滞使得其翼片后部流速降低，同时消耗了流体动力，静压下降形成一个低压区。在翼片后端形成涡旋，便于中心区与边壁区流体的对流，促进了混合。但是该种混合器内的流体的流态主要是以轴向流动和径向流动这两种形式存在，并且只在翼片存在的区域产生了径向流动的形式，在翼片两侧的流体由于没有翼片的阻滞作用，依然维持轴向流动，仅依靠分子扩散和紊动扩散加速混合。

专利申请CN101632906A,此发明通过在输水管中心的加药管口前端安装了一个圆锥体变流装置，使药剂从加药口射出，碰撞到变流装置后改变流向，让药剂均匀的进入主流体，使药剂在管道内混合均匀。该发明解决了现有管道混合装置存在药剂混合效果差的技术问题，但是该混合装置在使用过程中需要较高的药剂射出速度，增加了加药装置的能耗。

专利申请CN204107421U,此实用新型混合装置包括混合段、分散段和均化段，并分别设置了单向悬翼、网状波纹板、正反双向旋翼，次混合装置的可拆卸的模块化设计使设备维护较为方便，且根据不同的生产需要可以自行调整。但是在供水管网中应用该混合装置所带来的局部水头损失还是过于偏大，尤其对老管网改造过程中泵房无法提供输出压力这一情况所带来的问题无法解决。

近年来，多点加氯技术发展较为迅猛，已经开始逐渐成为大、中型城市供水管网设计及实施时可供选择的方案。国内外研究学者在加氯点位置和数量确定、各点加氯量优化、多点加氯的运行控制等方面都取得了大量的成果。但是目前管网间补充余氯的装置存在以下两方面的缺陷：1、加氯后与水混合不充分，局部仍然分布不均，相对稳定性较差，导致中途投加点后较长距离内水中各点的余氯浓度不同，局部偏高或偏低，影响了消毒效率和水质，使距离中途投加点较近用户的用水安全无法得到保证；2、现有管网间补充余氯的投加点后，若使用传统静态混合器进行快速混合，可使投加点后药剂浓度迅速均匀，但其局部水头损失过大，尤其对老管网改造过程中泵房无法提供输出压力这一情况所带来的问题无法解决。因此，设计一种能够在老旧管网内使用，充分使药剂混合，并且对水头损失小的静态混合器是十分有必要的。

发明内容

本发明解决现有的管网内静态混合器无法同时满足药剂混合效果与水头损失的技术问题，提供一种用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置，包括输水管，所述输水管内壁沿输水管长度方向固定有多条与输水管内壁垂直的具有一定高度的导流叶，所述导流叶前段与输水管轴线平行，所述导流叶后段沿输水管圆周同一方向平缓扭曲。在输水管内壁平行于水流方向等弧长安装若干具有一定扭曲角的长条形导流叶，管道中心部留空，导流叶是把长条形板条前端固定，在板条尾端施加作用力扭转一定角度而成。导流叶固定时须严格垂直于固定点处的切线。当流体在混合装置的输水管内流动时，由于导流叶排成环列叶栅,中部留空,对水流不产生任何转向作用,也不产生任何阻力,水流从中空部分直通而过。在有导流叶存在的外环中,由于导流叶的作用,将对流体产生阻力与垂直于流向的升力，阻力使输水管入口处管壁附近的压力升高，使靠近管壁处的流体向管中心处挤压，使管轴处附近的流速加快，导流叶对流体的升力使靠近管壁处流体产生扭曲，流体在这两种力的共同作用下产生了旋转运动。将流体从先前的平直流态转变成了同时具有轴向、周向和径向速度的流态，使流体速度梯度指向不同，增加了整个流场流动无序性，周向速度的生成，使流体受到离心力的作用，水流的紊动作用加强，加快了药剂的混合速度。同时由于流体的粘滞性作用，靠近管壁处的旋转运动沿径向进行剪切传递，使管道中心无导流叶区域也产生旋转运动。在输水管内流体就会同时具有轴向、周向和径向这三种速度向前流动，药剂也就会在输水管内均匀的“搅拌”混合。

所述导流叶个数为3~4条。导流叶个数可根据输水管的管径调整。所述导流叶的总长度为输水管内径的2~4倍，其中导流叶前段长度为导流叶总长度的0.2~0.5倍。所述导流叶的高度与输水管内径的比值为0.3~0.35。所述导流叶前段与导流叶后段之间的扭转角（即输水管内壁展开图上导流叶尾端处切线与导流叶前段之间的夹角）为30~40度。按照上述参数设置导流叶，可使得混合装置的混合效果提高且出水端的水头损失最小。

本发明具有以下优点：在旋流发生段内，由于导流叶沿管壁排成环列叶珊，管道中部留空，水流从管道中部直通而过，导流叶未对水流进行切割也对其不产生阻力作用，然而在导流叶存在的外环中，流体受扭转的导流叶的作用，从前段的平直流态转变为螺旋流态，并能够在混合装置出水口后一定长度内保持螺旋形运动。利用螺旋流性质使得药剂充分混合。相对于传统的混合器有效的减小了混合元件的个数和混合元件所占的阻流面积，从而减小了水流的能量损失。本发明应用于供水管网中补充余氯后的药剂混合，相比于现行管网中多点加氯后靠水流的自然对流进行混合，能在较短的时间内达到很好的混合效果。避免了水中各点的余氯浓度不同，局部偏高或偏低，影响了消毒效率和饮用水水质，保证了加氯点附近居民的饮用水水质安全。

附图说明

图1为SX型静态混合器波纹板实物图；

图2为SX型静态混合器结构示意图；

图3为SK型静态混合器扭转叶片实物图；

图4为SK型静态混合器结构示意图；

图5为SK型静态混合器结构立体视图；

图6为HEV型静态混合器结构立体视图；

图7为本发明使用时剖面视图；

图8为本发明结构横截面示意图；

图9为本发明沿径向展开示意图；

图10为本发明结构立体视图；

图中：1-输水管，2-加药管，3-导流叶，L-加药管距混合装置入口处的距离，h-导流叶的高度，D-输水管内径，α-扭转角。

具体实施方式

用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置，包括输水管1，所述输水管1内壁沿输水管1长度方向固定有多条与输水管1内壁垂直的具有一定高度的导流叶3，所述导流叶3前段与输水管1轴线平行，所述导流叶3后段沿输水管1圆周同一方向平缓扭曲。

所述导流叶3个数为3~4条。所述导流叶3的总长度为输水管内径D的2~4倍，其中导流叶3前段长度为导流叶3总长度的0.2~0.5倍。所述导流叶的高度h与输水管内径D的比值为0.3~0.35。所述导流叶3前段与导流叶3后段之间的扭转角α为30~40度。

使用案例数据对比：输水管1内的导流叶3个数为3个，输水管内径D=100mm，导流叶高度h与输水管内径的比例为0.3，即导流叶高度h=30mm，导流叶总长度为输水管内径的4倍，为400mm，其中导流叶前段为总长度的0.4倍，前段长度为160mm，导流叶前端与后端之间的夹角为30度。加药管2上开孔个数为3个，加药管距混合装置入口处的距离L为300mm。水流速度为V₁=1m/s,加药口速度V₂=2m/s的情况下，在混合装置出口3米管道截面处，不均匀系数COV=0.08（不均匀系数越小，代表混合效果越好，在工程实践中一般认为当COV大于1时代表完全没有混合，当COV小于0.1时代表混合均匀）。混合装置所带来的压力损失在160Pa。在保证混合均匀的同时，压力损失远小于HEV型静态混合器所带来的566Pa。

Claims (1)

1.一种用于管网间补充余氯的消毒剂混合装置，包括输水管（1），其特征在于：所述输水管（1）内壁沿输水管（1）长度方向固定有多条与输水管（1）内壁垂直的具有一定高度的导流叶（3），所述导流叶（3）前段与输水管（1）轴线平行，所述导流叶（3）后段沿输水管（1）圆周同一方向平缓扭曲；所述导流叶（3）的总长度为输水管内径（D）的2~4倍，其中导流叶（3）前段长度为导流叶（3）总长度的0.2~0.5倍；所述导流叶（3）前段与导流叶（3）后段之间的扭转角（α）为30~40度；所述导流叶（3）个数为3~4条；所述导流叶（3）的高度（h）与输水管内径（D）的比值为0.3~0.35，所述导流叶（3）的高度（h）指所述导流叶（3）沿所述输水管（1）径向的长度。